世博巴士車燃料電池的耐久性研究和電氣連接器可靠性研究

高軼鳴

同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 200082

1 研究背景

1.1 巴士車質(zhì)子交換膜燃料電池PEMFC 概述

質(zhì)子交換膜燃料電池為酸性電解質(zhì)電池。當(dāng)燃料電池以純氫為燃料時(shí)，它的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物僅為水.氫氣通過陽極極板通道流入擴(kuò)散層，再通過擴(kuò)散層進(jìn)入陽極催化層。在陽極催化劑的作用下氫氣在陽極催化層的作用下解離為氫離子和電子。陽極催化層上生成的氫離子透過質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，電子通過外電路到達(dá)陰極。氧氣則由陰極極板通道流入擴(kuò)散層，再通過擴(kuò)散層進(jìn)入陰極催化層。在陰極催化劑的作用下陰極氧離子和與進(jìn)入陰極的氫離子反應(yīng)生成水。電子通過外部負(fù)載形成了電流。

1.2 電池組電壓衰減原理

引起質(zhì)子交換膜燃料電池的性能衰減有以下直接原因：電池關(guān)鍵材料，包括電解質(zhì)膜、電極以及催化劑等等在運(yùn)行過程中發(fā)生的污染、老化和降解過程，產(chǎn)生了電解質(zhì)膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力下降、電極結(jié)構(gòu)變化以及電催化劑的凝聚和老化現(xiàn)象，因此引起了電池組性能衰減。

PEMFC 采用了全氟質(zhì)子交換膜，隨著電池的運(yùn)轉(zhuǎn)使用，空氣中的金屬離子、電池系統(tǒng)以及電池內(nèi)部金屬材料腐蝕而產(chǎn)生的金屬離子取代磺酸根基團(tuán)上的質(zhì)子形成磺酸鹽結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜的含水量降低、水分子擴(kuò)散系數(shù)的下降以及電遷移系數(shù)升高等副作用，電池性能產(chǎn)生衰減。空氣內(nèi)的SOx、氮氧化合物、烴類會(huì)使催化劑中毒，導(dǎo)致電池性能大幅下降。

1.3 巴士車電氣連接器潛在失效模式與故障

巴士車所采用的電氣連接器相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)有所不同，這是由于巴士車的驅(qū)動(dòng)形式為燃料電池和蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)(FC+B)，多組燃料電池串聯(lián)形成的直流工作電壓高達(dá)500 至600 伏，需要特別耐高壓抗電磁干擾的電氣連接器來保證車輛的穩(wěn)定運(yùn)行。常見的電氣連接器失效模式按照電氣失效性質(zhì)來分可分為電氣故障、機(jī)械性能故障、環(huán)境情況下造成的故障、嚴(yán)苛狀況下的故障；按照失效部位可分為塑料連接器缺陷、端子導(dǎo)線壓接缺陷、絕緣導(dǎo)線缺陷、金屬端子缺陷、裝配不良缺陷。這些電氣失效模式嚴(yán)重的將造成車輛的無法啟動(dòng)甚至電氣線路短路過熱引發(fā)燃燒火災(zāi)。

2 巴士車燃料電池耐久性的研究方法和運(yùn)行數(shù)據(jù)采集方式

2.1 巴士車燃料電池耐久性的研究方法

國內(nèi)外的研究者目前主要是通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)車運(yùn)行等方法對(duì)燃料電池的性能衰減來進(jìn)行分析，研究可能影響燃料電池性能的種種因素，并提出相應(yīng)的耐久性解決方案。

按實(shí)驗(yàn)加載方式的不同實(shí)驗(yàn)可分為穩(wěn)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)、動(dòng)態(tài)加載實(shí)驗(yàn)、加速強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)。

針對(duì)實(shí)車運(yùn)行的耐久性研究報(bào)道比較少，對(duì)于電池的壽命考察和試驗(yàn)的消耗也是非常巨大。然而2010 年舉辦的上海世博會(huì)為燃料電池巴士車的實(shí)際運(yùn)行提供了非常難得的機(jī)會(huì)，提供了十分真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2 巴士車燃料電池耐久性的關(guān)鍵因素

燃料電池耐久性的因素主要包括燃料雜質(zhì)、燃料供應(yīng)不足、溫度濕度、冰點(diǎn)以下的環(huán)境以及啟停循環(huán)等。提高環(huán)境溫度有利于提升電池的性能。隨著溫度的升高，電催化劑鉑的活性會(huì)提高，相同電流密度下的電壓增大，性能提高。燃料電池使用空氣中的氧氣做為氧化劑，空氣中的雜質(zhì)氮氧化合物、SOx、粉塵也會(huì)同時(shí)進(jìn)入燃料電池，影響電池耐久性。環(huán)境溫度和濕度等因素對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池的性能有較大的影響， 相對(duì)濕度的升高， 燃料電池的最大輸出功率也會(huì)隨著顯著的提高。燃料電池耐久性不足的主要原因也有車輛工況對(duì)燃料電池的影響，頻繁的起停等會(huì)導(dǎo)致燃料電池加速衰減。

2.3 巴士車數(shù)據(jù)采集方式，單位里程性能變化研究

世博期間燃料電池巴士車運(yùn)行路線主要為國展路，通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)GPRS 無線通信技術(shù)無線傳遞數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。所測(cè)得的燃料電池各項(xiàng)參數(shù)值（主要包括FCE 電堆輸出電壓，F(xiàn)CE 電堆輸出電流等）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，選取數(shù)據(jù)繪制每輛車FCE 電堆分別在30A，50A 和70A 電流條件下的輸出電壓隨運(yùn)行里程的變化曲線，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行一元線性回歸得到電壓衰減率，得出燃料電池巴士車的壽命衰減規(guī)律。車的載重質(zhì)量，燃料電池使用時(shí)間，氫氣燃料容量，天氣等環(huán)境因素都對(duì)燃料電池的電壓衰減有著顯著的相關(guān)性。

3 巴士車燃料電池車電氣連接器可靠性研究

3.1 燃料電池巴士車連接器故障的分析方法

分析燃料電池巴士車的電路故障，必須具備一定的電工學(xué)和電氣連接器知識(shí)并了解燃料電池的動(dòng)力系統(tǒng)。一般常見的故障類型有短路、斷路、電阻抗過高、間歇性導(dǎo)通、電磁干擾。檢查時(shí)必須在點(diǎn)火鎖關(guān)閉的情況下進(jìn)行，否則將燒壞相關(guān)零件。拆下導(dǎo)線連接器檢查時(shí)，要注意松開鎖緊彈簧及鎖扣，不可硬拽，復(fù)裝時(shí)將連接器裝到位并鎖止。在檢查36 伏以上的高壓線路時(shí)需身穿電工服，現(xiàn)將電容內(nèi)的剩余電量釋放方可使用萬用表等儀器檢查。表棒檢測(cè)端子時(shí)不能用力過大壓彎端子，防止端子彎曲引發(fā)的接觸不良。

3.2 燃料電池車電氣連接器的使用環(huán)境因素

燃料電池巴士車連接器對(duì)產(chǎn)品的性能、穩(wěn)定性和耐久性的要求比較嚴(yán)格。使用環(huán)境惡劣，包括溫度、震動(dòng)、氧化腐蝕以及摩擦腐蝕。因此巴士的耐久性將受到多方面的考驗(yàn)，傳統(tǒng)的機(jī)械電氣性能、較大的溫差、較高的濕度、高低溫循環(huán)、密封性測(cè)試、鹽霧腐蝕測(cè)試。燃料電池所處的電氣環(huán)境也相當(dāng)嚴(yán)苛持續(xù)工作在500 到600 伏的高壓、100 安培以上的電流，連接器、端子、導(dǎo)線及壓接的方式必須滿足高壓高電流并且能夠長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]衣寶廉.燃料電池—原理·技術(shù)·應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版，2003.

[2]侯中軍，衣寶廉.質(zhì)子交換膜燃料電池性能衰減研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2005，29(7)：482-486.